Rejestracja

Please leave these two fields as-is:
UWAGA: Prosimy o rozwiązanie prostego równania matematycznego!
zamknij

Zaloguj się

Zapomniałeś hasła?

Jeżeli nie pamiętasz swojego hasła, wyślemy Ci nowe - wystarczy skorzystać ze specjalnego formularza
Przypomnij mi hasło

Zarejestruj się
Napisano: 11 czerwca 2016

Liczba komentarzy: 7
Oswajamy biotechnologię — szczepionki

Autor wpisu
magister Martyna Franczuk
magister Martyna Franczuk

Każdy sezon grypowy, zupełnie jak w świecie mody, pozostawia po sobie nową kolekcję szczepionek przeciwko panującym wówczas szczepom wirusa, podczas gdy prace nad skuteczną ochroną przed HIV zdają się nie mieć końca. Jak to możliwe? Niektórzy upatrują w tym spisku koncernów farmaceutycznych, inni opieszałości naukowców, a jak jest naprawdę?

Pierwsze szczepionki powstały jeszcze zanim odkryto wirusy. Jenner i Pasteur opracowali swoje preparaty metodą prób i błędów, zainspirowani obserwacjami z życia. Dziś badania mające na celu uzyskanie skutecznej profilaktyki przeciwko mikroorganizmom wymagają wielu lat pracy interdyscyplinarnych zespołów specjalistów w dziedzinie immunologii i biologii drobnoustrojów. Jedne starania prędzej, czy później przynoszą efekty, inne wciąż zaprzątają nam głowę. W tym artykule chcielibyśmy przybliżyć czytelnikowi, dlaczego niektóre szczepionki udaje się otrzymać stosunkowo łatwo, podczas gdy pozostałe wymagają ogromnego nakładu czasu, kosztów i poświęcenia.

Wirus zmiennym jest, jak piórko na wietrze

Wbrew złudnemu o nich wyobrażeniu, wirusy są grupą bardzo zróżnicowaną i każdy rodzaj wymaga wysoce indywidualnego podejścia. Wirus grypy, mimo że podobnie jak wirus HIV, swoją informację genetyczną przechowuje w RNA, należy do zupełnie innej  rodziny i charakteryzuje się odmiennymi właściwościami.

Szczepionka szczepionce nierówna

Wirusy grypy są przedstawicielami ortomyksowirusów. Dzielą się na trzy typy A, B i C, z czego zachorowania o charakterze epidemii najczęściej wywołują wirusy typu A. Genom ich składa się z ośmiu segmentów, kodujących poszczególne białka strukturalne wirionu, w tym podstawowe antygeny grypy: hemaglutyninę (HA), występującą w 16 podtypach i neuraminidazę (NA), dla której sklasyfikowano 9 podtypów. Wirus wyróżnia się dużym tempem zmienności, przez co często pojawiają się epidemie nowych groźnych szczepów. U podstaw jego mechanizmu zmienności leżą dwa zjawiska genetyczne — przesunięcie antygenowe i skok antygenowy.

Pierwsze z nich polega na pojawieniu się spontanicznych mutacji punktowych w kluczowych immunogennych białkach wirusowych (HA i NA). Do drugiego zaś dochodzi podczas jednoczesnego zakażenia komórki dwoma wirusami grypy różnych szczepów. W trakcie pakowania materiału genetycznego do wirionów potomnych, następuje wymiana segmentów, niczym po przetasowaniu talii kart. Tak powstają nowe szczepy o różnych od wyjściowych kombinacjach podtypów białek HA i NA. Zarówno jedno, jak i drugie zdarzenie genetyczne powoduje powstanie szczepów, na które układ immunologiczny człowieka nie jest przygotowany i dlatego konieczna jest coroczna zmiana składu szczepionki.

Nihil novi, a jednak novi

Opracowano wiele szczepionek przeciwko wirusowi grypy zarówno dla ludzi, jak i zwierząt. Przedstawiają one raczej „tradycyjny” model szczepionki profilaktycznej, działającej na zasadzie prezentacji antygenu, układowi immunologicznemu gospodarza i wyzwolenie jego reakcji, której długofalowym efektem jest powstanie limfocytów będących w stanie szybko zareagować w razie ponownej infekcji.

Zasadniczo można podzielić je na cztery grupy: szczepionki zawierające całe inaktywowane wirusy, szczepionki z zdezintegrowanych cząstek wirusowych, podjednostkowe i wektorowe.

Cząstki wirusowe wykorzystywane do produkcji szczepionek są namnażane w kurzych zarodkach albo w kulturach komórkowych. Wirus jest następnie uwalniany, koncentrowany i oczyszczany. W kolejnym etapie inaktywuje się go formaldehydem lub β-propiolaktonem. W przypadku szczepionek podjednostkowych możliwe jest uzyskanie kluczowego białka, wywołującego odpowiedź, metodami rekombinacji genetycznej np. w bakulowirusowym systemie ekspresji.

Pierwszy typ szczepionki, w skład której wchodzą całe inaktywowane wiriony (WIV od ang. whole inactivated virus), opiera się na produkcji wirusa zachowującego aktywność wiązania receptorów i fuzji z błoną, zawierającego wszystkie komponenty natywnego (to jest funkcjonalnego) wirusa i posiadającego identyczną co aktywny wirus strukturę, a jednocześnie niezdolnego do replikacji ze względu na jego chemiczne, czy fizyczne unieczynnienie poprzez modyfikację zasad azotowych, zwłaszcza puryn. Aktywują komórkową i humoralną odpowiedź immunologiczną. Przyjmuje się, że są bardziej immunogenne niż inne rodzaje szczepionek. Ludzkie szczepionki sezonowe tego typu wg zaleceń WHO powinny składać się z dwóch wirionów grypy A o różnych podtypach HA i NA oraz jednego winionu grypy typu B.

Oprócz WIV, tworzy się również szczepionki z atenuowanym wirusem (LAIV od ang. live attenuated influenza vaccine), których zaletą jest donosowe dozowanie, stymulacja szerokiej śluzówkowej i komórkowej odpowiedzi immunologicznej.

Kolejnym rodzajem są szczepionki typu „split” i podjednostkowe. Pierwsze powstają w wyniku chemicznej dezintegracji wirusa. Drugie składają się niemal wyłącznie z oczyszczonych białek HA i NA.

Istnieją jeszcze szczepionki wektorowe. Ich ideą działania jest ekspresja genów wirusa grypy in vivo w zaszczepionym organizmie. Wektorem może być inny wirus, bakteria lub DNA plazmidowe. Wektory zmodyfikowano, wprowadzając do ich sekwencji geny białek wirusa grypy pod kontrolą odpowiednich elementów regulacyjnych. Jak dotąd, taką strategię przewidziano tylko w profilaktyce zakażeń zwierząt.

Co roku na podstawie prognoz dotyczących panujących w zbliżającym się okresie zachorowań szczepów przygotowuje się nowe szczepionki, które w niedługim czasie stają się bezużyteczne, albo — co gorsza — nie trafiają w faktyczne „trendy”. Wirus grypy stosunkowo łatwo wyizolować, głównym mechanizmem zmienności jest jednak skok antygenowy, dlatego sekwencje białek są znane, techniki otrzymania szczepionek dopracowane, a źródła ich pozyskania i zwierzęta, na których można je testować (nawet tak odległe ewolucyjnie ptaki) niedrogie i niebudzące kontrowersji.

W przypadku HIV sprawa wygląda jednak zupełnie inaczej.

Kopie jak w kalejdoskopie

Wirus zespołu nabytego braku odporności należy do rodziny retrowirusów, które w swoim cyklu życiowym wykorzystują manewr odwrotnej transkrypcji, czyli przepisania przez enzym wirusowy informacji genetycznej z RNA na DNA, aby umożliwić integrację do genomu gospodarza. HIV jest szczególnie zmiennym wirusem ze względu na to, że odwrotna transkryptaza, przeprowadzająca tę operację, nie posiada aktywności korekty błędów. Do tego stopnia popełnia błędy, że niemal każdy potomny wirion ma inny genom niż jego „rodzic”. W momencie, gdy mutacje zachodzą w obrębie genu białka Env, które jest niezbędne do rozpoznania przez przeciwciała, zamykają one układowi immunologicznemu drogę dojścia. Ponadto, konserwatywne motywy białek, mogące być celem szeroko neutralizujących przeciwciał (Nabs), są często ukryte w otoczce wirusa lub odpowiednio glikozylowane i wówczas  nierozpoznawane jako obce. Efektem jest rosnąca pula grup i podtypów HIV różniących się między sobą antygenami, zakresem gospodarza, niewrażliwością na leki.

Wyróżnia się cztery główne grupy HIV-1: M, O, N i niedawno odkrytą grupę P. Każda z nich składa się z wielu podtypów, kladów. Różne klady charakteryzują się także odmiennymi właściwościami biologicznymi na poziomie transmisji, replikacji i postępu choroby.

Syzyfowe prace

Przyczyną fiaska każdej próby opracowania skutecznej uniwersalnej szczepionki profilaktycznej przeciwko HIV jest właśnie ta niespotykana u innych wirusów zmienność, ale także „spryt”, przejawiający się zdolnością do uniknięcia odpowiedzi immunologicznej. Jakby tego było mało, brakuje nam odpowiedniego modelu badawczego.

Część informacji na temat reakcji obronnej układu odpornościowego na infekcję dostarczają pacjenci od lat zarażeni wirusem, ale u których nie rozwinęły się objawy AIDS. Poza ludźmi, tylko niektóre naczelne, są podatne na infekcję HIV-1. Niestety, nie występuje u nich pełnoobjawowy zespół nabytego braku oporności, co bardzo umniejsza wartość modelu. Za dość imformatywny uważany jest model kociego wirusa (FIV), ale to ciągle za mało. Bliski krewniak ludzkiego wirusa — małpi SIV replikuje i powoduje przypominające AIDS symptomy u pawianów i makaków. Pozwala uzyskać wgląd w patologię, transmisję i odpowiedź immunologiczną zakażonego organizmu, ale różnice są w dalszym ciągu zbyt wielkie. Także otrzymana metodami inżynierii genetycznej chimera SHIV nie dostarcza satysfakcjonujących wniosków. Nie zapominajmy również, że badania z udziałem człekokształtnych budzą wątpliwości natury etycznej.

Wiele zespołów z całego świata weryfikuje różne strategie, mogące skutecznie ukrócić rządy terroru HIV. Polegają one głównie na wyzwalaniu produkcji przeciwciał szeroko neutralizujących przeciwko wirusowi lub wzmaganiu naturalnej odpowiedzi limfocytów T cytotoksycznych. Transmisja wirusa ma miejsce na powierzchni błon śluzowych, dlatego szczepionka profilaktyczna powinna działać skutecznie we wszystkich wrotach zakażenia HIV, zwłaszcza na błonach śluzowych. Niemożliwe jest zastosowanie atenuowanych wirusów, co skutkuje w przypadku SIV, z uwagi na fakt, że czasem cząstki wirusowe rekombinują z odmianami sprawnego wirusa, wywołując efekt zgoła odwrotny od pożądanego.

Pośród potencjalnych kandydatów na bohaterską szczepionkę znajdują się szczepionki białkowe, zawierające pojedyncze białka wirusa (często poliwalentne, to znaczy zawierające białka wirusów z różnych kladów), rekombinowane szczepionki podjednostkowe, w skład których wchodzą większe fragmenty białek powierzchniowych, takich jak gp120, gp140 lub gp160, żywe szczepionki wektorowe, które stanowią żywe mało szkodliwe wirusy innych gatunków z ekspresją białek HIV. Ten rodzaj szczepionek najbardziej przypomina wirusa, a jest relatywnie bezpieczny. Zaletami żywych rekombinowanych szczepionek wektorowych są naturalna zdolność do atakowania wielu rodzajów tkanek, w przypadku części z nich możliwość doustnego podania, aktywacja tak ważnej w odniesieniu do HIV odpowiedzi śluzówkowej. Niestety, niektóre z nich mają ograniczoną „pakowność”. Problem stanowi także zmniejszona efektywność szczepionki, będąca następstwem przebytego zakażenia wirusem wektorowym (PEI ang. pre-existing immunity).

W wyścigu biorą udział i szczepionki plazmidowe – do plazmidów wstawiane są fragmenty genów wirusa, na podstawie których w docelowych komórkach powstaną białka bardzo podobne do wirusowych. Plusami takich szczepionek są bezpieczeństwo, nietoksyczność oraz wykorzystanie mechanizmów gospodarza do produkcji antygenów.

Warto wspomnieć o szczepionkach kombinowanych, łączących w sobie dwa rodzaje szczepionek w celu wzmocnienia odpowiedzi immunologicznej i szczepionkach na bazie cząstek wirusopodobnych (VLP ang. virus-like particles). VLP są nieinfekcyjnymi cząstkami, przypominającymi HIV, ale zawierającymi tylko część białek wirusowych.

Atak zakrojony na szeroką skalę

Rozwiązaniem zarówno problemu corocznego przygotowania szczepionki na grypę, jak i permanentnego braku szczepionki na HIV mogą okazać się przeciwciała szeroko neutralizujące. Zadaniem szczepionki jest stymulacja układu odpornościowego do produkcji szeroko neutralizujących przeciwciał. Nabs unieszkodliwiają intruza poprzez wiązanie jego białek powierzchniowych, odpowiadających za wnikanie do wnętrza komórek. W przypadku dużej zmienności tych białek rozpoznanie jest bardzo utrudnione. Przeciwciała o szerokim spektrum neutralizującym skierowane są przeciwko epitopom (czyli fragmentom antygenu, które rozpoznają) dużo rzadziej podlegającym zmianom.

W 2010 roku na łamach magazynu  Science ukazały się przełomowe doniesienia badaczy Gary’ego Nabela i Petera Kwonga z Vaccine Research Center w Bethesdzie w stanie Maryland o odkryciu przeciwciała VRC01, posiadającego zdolność do neutralizacji 90% poznanych szczepów HIV-1. W tym roku w Science Express naukowcy Ian Wilson z The Scripps Research Institute i Jaap Goudsmit z holenderskiego przedsiębiorstwa biofarmaceutycznego Crucell pochwalili się przeciwciałami CR6261 i CR8020, które w testach na zwierzętach nautralizują wiele szczepów grypy, w tym charakteryzujące się podtypami HA3 i HA7, będących przyczyną sezonowych zachorowań, jak i pandemii.

Konsorcja najtęższych umysłów doskonalą swoje szczepionki tak, by wywoływały silniejszą odpowiedź w śluzówkach. Główkują nad uzyskaniem lepszych modeli zwierzęcych, dopracowują techniki modelowania molekularnego, zastanawiają się, jak zapobiegać PEI i skutecznie wywołać produkcję szeroko neutralizujących przeciwciał. Entuzjaści takiego podejścia mają nadzieję, że w przyszłości szczepionki zdolne wyzwolić „koktajl” różnorodnych Nabs przeciwko danemu patogenowi przyniosą oczekiwane rezultaty, kładąc kres długim i żmudnym poszukiwaniom Świętego Graala współczesnej medycyny.

Piśmiennictwo:

  • J-P. Amorij, A. Huckriede, J. Wilschut, H. W Frijlink, W. L. J. Hinrichs, Development of Stable Influenza Vaccine Powder Formulations: Challenges and Possibilities [w:] Pharmaceutical Research, Vol 25, nr 6 (2008), s. 1256-1273.
  • K. Wang, K. M. Holtz, K. Anderson, R. Chubet, W. Mahmoud, M. M. J. Cox, Expression and purification of influenza hemagglutinin – one step closer to a recombinant protein-based influenza vaccine [w:] Vaccine 24 (2006), s. 2176-2185.
  • J. M. Wood, D. Major, R. W. Newman, U. Dunleavy, C. Nicolson, J. S. Robertson, G. C. Schild, Preparation of vaccines against H5N1 influenza [w:] Vaccine 20 (2002), s. 84-87.
  • Possible HIV Vaccine Strategies, [dostępne na stronie HIV Vaccine Trial Networks:] http://www.hvtn.org/science/strategies.html.
  • A. Aderem, Na skróty po szczepionkę [w:] Świat Nauki 6 (2011), s. 52-57.
  • L. J. Gamble, Qiana L. Matthews, Current progress in the development of a prophylactic vaccine for HIV-1 [w:] Drug Design, Development and Therapy 5 2011, s. 9-26.
  • David M. Knipe, Peter M. Howley, Fields Virology (5th Edition), Lippincott Williams & Wilkins, 2007.
  • John B. Carter ,Venetia A. Saunders, Virology. Principles and applications, John Wiley & Sons Ltd, England 2007.
  • Discovery of Natural Antibody Brings a Universal Flu Vaccine a Step Closer [dostępne w serwisie Science Daily:] http://www.sciencedaily.com/releases/2011/07/110707141208.htm?utm_medium=twitter&utm_source=twitterfeed.
  • Heidi Ledford, Souped-up antibody fends off HIV [dostępne w serwisie Nature:] http://www.nature.com/news/2010/100708/full/news.2010.341.html.
image_pdfimage_print
Podziel się ze znajomymi
Skocz do formularza

Komentarze 7

  1. 1

    fajne 🙂
    czekam na następne części serii 🙂

    6 lat temu
  2. 2

    Uważam, że takie tematy powinny być poruszane też w bardziej dostępnych źródłach dla ogółu (wprost, wyborcza). Coraz częściej jak czytam sekcje naukowe w takich gazetach to pojawiają się jakieś stare pseudo newsy typu: pilnuj się bo bakterie są wszędzie:)

    6 lat temu
  3. 3

    kawał rzetelnej informacji!

    6 lat temu
  4. 4

    W prawdzie naukowcy mają potencjalne rozwiązania ale jeszcze długa droga przed nami zanim powstanie pewna szczepionka na HIV …

    6 lat temu
  5. 5

    JASNA SPRAWA, WIELE JESZCZE PRZED NAMI, ZARÓWNO W WIRUSOLOGII, JAK I INNYCH DZIEDZINACH NAUKI.
    A SAM ARTYKUŁ PODOBAŁ MI SIĘ BARDZO, KRÓTKO, ZWIĘŹLE I NA TEMAT.
    FAJNE.

    6 lat temu profil
  6. 6

    Subaru, lepiej, żeby były pseudonewsami i nie zawierały błędów merytorycznych, niż żeby figurowały jako pełnoprawne artykuły w czasopiśmie popularnonaukowym i roiły się od kwiatków. Niedawno w jednej takiej gazecie czytałam artykuł o inteligencji bakterii, w którym ani razu nie pojawiły się pojęcia QS i cząsteczki sygnałowe. Nie wspominając o tym, że real-time PCR jest wg autora metodą mikroskopii skaningowej. W tym samym numerze napisali, że adenowirus jest wirusem grypy. To mała różnica wywoływać objawy grypopodobne, a być wirusem grypy… Miejmy nadzieję, że wirusologia będzie rozwijać się w lepszym kierunku niż dziennikarstwo popularnonaukowe w Polsce 😉

    6 lat temu profil
  7. 7

    Tak naprawde na palcach u jednej reki można wymienić znane osoby zajmujące się dziennikarstwem popularnonaukowym, których prace są rzeczywiście solidne pod względem merytorycznym. Według mnie problem polega na tym, że osoby nie posiadające wykształcenia kierunkowego (dotyczącego tematu o którym piszą) sami nie do końca rozumieją zagadnienia o których piszą i nie mają szerokiej wiedzy na ten temat stąd te błędy. Natomiast skolei osoby posiadające takie wykształcenie przekazują informacje w sposób zbyt skąplikowany, ponieważ to jest dla nich oczywiste. Ale jak widać na szczęście są wyjątki:)

    6 lat temu
  8. Dodaj komentarz
    (wymagany)
    (wymagany)
    (wymagany)

    Pola oznaczone znaczkiem W są obowiązkowe. Musisz wypełnić wszystkie pola wymagane, aby dodać komentarz.
    Twój adres email, który podasz nie zostanie opublikowany z Twoim komentarzem.

    W treści komentarza dozwolone są tagi XHTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

do góry